基于ArcGIS for Android的城市管网巡检系统设计与实现

吴扬安

(厦门精图信息技术股份有限公司，福建厦门361008)

一、引 言

随着社会经济和城市建设的不断发展，地下管线的日常巡检和问题检修变得异常复杂。管网线路巡检对于及时发现缺陷和故障，及时评估管网系统，有计划地安排线路与设施检修，提高城市管网的可靠性具有重要的作用。当前大多城市的管网线路巡检手段比较落后，通常是以“一张地图一支笔一沓记录表”的外业模式进行管网线路巡查，巡检人员发现问题以手工记录为主，导致市政管线巡查人员工作效率低下、存储及检索管网信息难度大。其次，缺乏信息化管理手段，巡检人员根据现场实际情况检修井盖、管道疏通后，信息未能够及时反馈，在出现故障事件时，无法确定离故障点最近巡检人员等。最后，对巡检人员也缺乏有效的考核机制，管理者无法客观地管理巡检人员的工作到位率和工作时间等。城市管网巡检系统旨在为巡检人员在管网线路巡查时，按需对管网数据的获取、对比、更新等操作。在设施发生故障时，巡检人员可立即接收工单并获取故障点位置和管线属性数据等;同时也为管理部门对巡检人员的工作到位率和工作时间提供了客观数据。

城市管网巡检系统符合标准SOA的架构，系统后台空间数据服务采用Esri的ArcGIS Server平台发布基础地形服务和管线服务，采用ArcGIS Server切片缓存技术对基础地形服务进行切片，实现PDA对空间数据的快速访问。客户端功能展示采用基于Android平台的Java开发技术，前后台数据交换及外部数据接口的通信采用基于简单对象访问协议(SOAP)的.NET WCF技术。系统在保证系统功能的可靠性、实用性的前提下，为用户提供较好的客户体验。

二、系统设计

1.建设目标

城市管网巡检系统的建设需要结合综合管网的通用业务特点，基于GIS技术、计算机网络技术、GPS技术、3G和VPN通信技术、数据库技术构建基于Android平台的城市管网巡检GIS系统，为城市管网巡检管理工作提供一个全面的解决方案。具体包括以下几个方面:

1)采用信息化手段，提高市政管网巡查人员对外业管网信息的检索、数据的更新存储等，为高效率工作提供技术支撑。对巡检人员根据现场实际情况处理故障事件的进度跟踪，保证故障事件处理状态的及时反馈提供环境。

2)对接收客户报警或巡检人员发现的故障事件进行指派，保证在最短时间内检修人员到达故障点并根据上级指示进行处理。

3)提升管理部门对外业工作人员的考核，为管理者对巡检人员的工作到位率和工作时间提供客观依据。

4)利用ArcGIS API for Android接口提供特有的空间分析能力，为领导、巡检人员的各项决策提供技术支持。

2.数据传输安全性

众所周知，管线数据是涉密的，很多企事业单位的数据安全都具有高机密性、保密性、完整性等特点。一旦管线数据泄漏，对国家产生巨大损害，因此管线数据在网络上安全传输变得至关重要，为保证系统数据不泄密，系统从以下5个方面对数据传输安全性进行了严格的控制。

1)手持设备中只存储缓存数据，系统退出后将自动清空缓存数据，而且城市管网巡检系统不支持数据导出功能。

2)系统采用电信的企业级无线网络(定制VPN)，其中无线传输过程采用硬件加密，访问该无线网络需要证书和安全认证，并且证书和安全认证定期更换。

3)采用专门的无线路由策略，只能访问指定IP地址服务器的指定端口，而且存储空间数据的服务和ArcGIS发布的地图服务是存放在不同服务器上的。

4)存储空间数据的服务器和公网隔离。

5)采用专业级的硬件防火墙设备，保证整个网络安全。

空间数据在网络中传输的网络拓扑架构如图1所示。

图1 网络拓扑架构

3.系统体系结构

在城市管网巡检系统架构的设计上采用基于分层和面向服务的SOA设计思想，以达到Android平台和.NET、Oracle之间的数据交互，系统的总体逻辑结构分为3个层次，从下至上，依次为支持层、服务提供层、业务应用层。如图2所示。

(1)支持层

支持层为系统运行提供了必备的软硬件环境、网络环境、运行环境和数据资源;数据资源包含基础地形数据库、管线数据库及业务数据库。空间数据的存储方式采用ArcSDE和Oracle相结合的方式建立空间和属性数据的一体化存储，业务数据的存储方式采用Oracle大型关系型数据库。

(2)服务提供层

作为系统框架的中间层，承载着服务端与PDA端之间的交互。其中GIS地图服务使用ArcGIS Server平台进行开发，系统中的GIS空间分析、空间数据的调用都是在该层中实现的，主要功能是接收来自PDA端的REST请求，并根据此请求与支撑层进行通信，以获取所需的空间数据，最终将处理结果返回给PDA端。

PDA数据交换服务以.NET平台上的WCF技术为依托，以NT Service为宿主，以JSON作为WCF服务端与PDA之间的数据交换格式。数据交换服务主要为PDA提供用户身份验证、区域内管线长度、管点个数统计、GPS坐标转本地坐标、位置上报及审计日志等。服务提供层对业务进行抽象，以WCF的形式进行封装，为上层的业务应用提供服务支持。

图2 系统体系结构

(3)业务应用层

业务应用层中包含了城市管网巡检子系统和服务器端管理子系统，城市管网巡检子系统通过基于SOAP协议访问PDA数据交换服务提供的WCF服务接口。

4.功能设计

功能设计见表1。

表1 功能设计

三、关键模块实现

本系统是以.NET、ArcGIS Server和Android为开发平台，在Eclipse开发环境中，针对城市管网的业务流程，利用Java语言，基于ArcGIS API for Android的接口进行开发。

1.故障点施救

用户成功登录城市管网巡检系统后，系统自动将当前用户所在位置的GPS坐标信息转换成JSON对象后上传至服务器端，服务器端通过坐标转换参数将GPS坐标转成为本地坐标，并写入坐标信息实时库。系统管理人员可根据GPS位置共享查看所有巡检和检修人员的当前位置，可确定故障点与各巡检和检修人员的直线距离，并根据客户报警实时信息分派离故障点最近的检修人员到指定地点进行故障处理;检修人员及时反馈具体故障信息及处理进度给信息中心。

检修人员故障点处理信息上报功能效果如图3所示。

图3 功能效果图

2.爆管分析

由于管线压力过大等原因而造成的爆管事件经常发生，利用城市管网巡检系统所设计的爆管分析功能可极大地减少抢修时间。作为系统的核心功能，爆管分析功能采用广度优先搜索算法，当管网发生爆管时，可及时生成关阀方案。

作为系统的核心功能，由于PDA硬件配置、ArcGISfor Android API接口和网络传输速度的局限性，为解决PDA端的响应速度和减轻PDA的负载压力。系统通过在地图上使用爆管分析工具选择爆管点的位置和爆管的管类，将爆管信息以JSON字符串格式通过SOAP协议传递到PDA数据交换服务的爆管分析接口，最终由服务器端进行爆管分析，生成关阀方案，以JSON格式返回给PDA端进行展示;在实现爆管分析接口时，采用了ArcGIS Engine接口进行开发实现。爆管分析的效果图4所示。

图4 爆管分析效果图

四、结束语

随着城市管网规模日益庞大，各类管网错综相连，急需一种有效的管理方式对其进行统一化管理，本文所设计的系统具有地图常用功能、爆管分析、工单指派等功能。系统采用了基于WCF、Arc-GISServer、数据库和Android技术相结合的方式，建设符合标准的SOA架构，为用户提供稳定、高效的应用，并且具有良好的体验效果。同时系统为管理者提供了便捷的日常管理，也为巡检人员提供实时接收信息中心下达工单信息和及时反馈故障点处理进度，系统的应用可以大大提高巡检人员的工作效率，为管理部门的宏观决策提供准确、实时的信息。

略)